如图1所示，肽可根据其设计和自组装条件组装成不同的纳米结构，包括纳米管、纳米纤维和纳米囊泡。不同的肽类型和结构，如二肽、环肽、两亲性肽、α-螺旋肽和β-折叠肽，已被用于自组装成纳米结构。

图1 肽自组装形成不同的纳米结构

1. 二肽

近来，研究人员声称短肽具有自组装成多种不同纳米结构的能力，这能够降低制造过程的难度和成本，同时提高稳定性。其中，二肽自组装纳米结构因其在药物输送等众多生物医学应用中的潜力而受到广泛研究。苯丙氨酸二肽（Phe-Phe，FF）是首个被报道用于不同纳米结构自组装的二肽，它是阿尔茨海默病中淀粉样β多肽片段的核心基序。它已被认定为驱动阿尔茨海默病中自组装的核心识别基序。许多研究致力于将 FF 二肽自组装成不同纳米结构，包括纳米颗粒、纳米管、纳米囊泡和纳米线，如图 2 所示。FF 自组装纳米管已被证明具有热稳定性，这是仿生材料最独特的特性之一。通过气相沉积法实现了 FF 二肽自组装纳米管的高产率，该方法可通过控制单体供应来调节纳米管的密度和长度。通过超声波将二肽溶解于水中，随后加热，也获得了 FF 自组装纳米管。同时，在高离子强度的水中实现了 FF 自组装纳米线。这两种 FF 二肽自组装纳米结构——纳米管和纳米线——可以相互转换。这两种纳米结构已被研究用于机械应用，包括生物传感器、纳米器件和导电纳米材料。

图2 二肽Phe-Phe自组装形成多种纳米结构

疏水性二肽如 LL、LI 和 LF 也能通过氢键自组装成纳米管。由二肽 WG 自组装而成的充满水分子的纳米管表现出负热膨胀，后来这一特性被用于由二肽 FF、LS、IV、VI、VA 和 AV 自组装形成纳米多孔结构。这些二肽自组装纳米多孔材料已被证明能够吸收和储存包括二氧化碳、甲烷和氢气在内的多种气体。在 FF 二肽中引入巯基可使其自组装结构从管状变为球状纳米结构。几种芳香族同二肽的自组装进一步发展出了纳米球、纳米片、纳米纤维和水凝胶。这些二肽自组装纳米结构可用于制造导电纳米线的铸模，也可用于许多不同的生物医学应用，包括生物传感、组织工程、生物成像和药物输送。

经过修饰的二肽也可用作具有可调生物功能的自组装纳米结构的模板。含有 N 端ω-氨基酸的修饰二肽在固态和水溶液中均可自组装成纳米管。形态学研究表明，这些纳米管尺寸各异，且结构均匀、排列有序。这些经过修饰的二肽自组装纳米结构与固态或溶液方法所得结果显著不同，这表明这两种策略的自组装机制不同。因此，具有氢键能力的水分子可能在纳米管的自组装甚至稳定化过程中发挥重要作用。

除了二肽自组装纳米结构外，还有许多其他短线性肽自组装纳米结构可用于生物医学应用，包括药物输送。例如，KLVFF 是一种来自阿尔茨海默病中淀粉样β肽自组装机制的短肽，也能在高浓度磷酸盐缓冲盐水溶液中自组装成纳米纤维结构，进而形成水凝胶。物理和化学表征的实验结果表明，线性短肽能够通过静电相互作用自组装成β折叠结构，进而形成纳米纤维水凝胶结构。此外，短线性肽 DFNK 和 DFNKF 均已被证明在不同 pH 值的影响下能够自组装成纳米纤维结构。这些肽在肽序列中具有芳香族和带电侧链。

2. 环肽

早在 1974 年，理论上就已确定了由 D 型和 L 型氨基酸交替组成的环肽能够自组装成纳米管。然而，基于这一理论，首个使用环-(L-Gln-D-Ala-L-Glu-D-Ala)2 环肽自组装而成的纳米管直到 1993 年才得以实现。环肽自组装是通过将环肽作为基本构建单元聚集形成平面构象结构，其中氨基和羰基侧链垂直于环排列。环肽自组装纳米管通过图 3 所示的酰胺基之间的氢键自组装并稳定。由于 D 型和 L 型氨基酸交替出现，肽侧链可以排列在外部区域，从而形成纳米管结构。可用于自组装的环肽序列有很多，包括 D 型和 L 型α-氨基酸交替、α-和β-氨基酸交替、β-氨基酸以及δ-氨基酸。

图3 八残基环状D,L-α-肽通过氢键自组装成纳米管的示意图

与其它肽自组装纳米结构相比，环肽自组装纳米管具有独特的性质，比如精确的直径控制，可通过肽序列和长度进行调节。纳米管的功能也可通过修饰肽侧链来调整。例如，环肽的内部直径在肽长度从 4 个氨基酸增加到 12 个氨基酸后，可从 2Å增加到 13Å。此外，具有序列 cyclo-(L-Gln-D-Ala-L-Glu-D-Ala)2 的八肽环肽不仅能自组装成纳米管结构，还能通过不同的方法和自组装参数自组装成纳米颗粒，如图 4 所示。

图4 八肽residue循环肽自组装纳米管和纳米颗粒的示意图

例如，使用含有谷氨酸和半胱氨酸氨基酸的八肽环肽制备了环肽自组装纳米管，其已被证明可用于药物输送应用。结果表明，聚乙二醇修饰的阿霉素负载纳米管具有较高的药物封装率。更重要的是，与游离阿霉素相比，聚乙二醇修饰的阿霉素纳米管在体外对人乳腺癌 MCF-7/ADR 细胞显示出更高的细胞毒性，并提高了阿霉素的摄取量。此外，聚乙二醇修饰的阿霉素纳米管在多药耐药肿瘤治疗中显示出潜力。

3. 两亲性肽

两亲性肽有许多不同的类型，例如线性肽、离子互补肽、肽磷脂和长链烷基化肽。两亲性肽通常由亲水性肽头基团和疏水性尾部组成，可用于形成各种二级和三级构象。这些肽能够自组装成具有多种不同形态结构的纳米结构，包括纳米囊泡、纳米管和纳米胶束。静电和疏水相互作用被认为是驱动两亲性肽自组装的主要因素。

具有疏水尾部和亲水头部的线性肽能够根据其化学性质和物理性质自组装成不同的纳米结构。对于疏水尾部，A、G、L 和 F 氨基酸是很好的候选者。另一方面，D、E、H 和 R 氨基酸总是用于亲水区域。例如，类似于表面活性剂的脂质样肽，如 G4DD、G6DD、G8DD、A6D、A6K 和 KA6 序列，在达到临界聚集浓度时能够自组装成各种纳米结构。由于它们与磷脂非常相似，这些肽有可能稳定膜蛋白。

离子互补自组装肽 EAK16 于 1993 年首次被发现，可形成纳米纤维。这些肽在一边侧链带有电荷，在另一边侧链带有疏水链。疏水侧链可在纳米纤维内部形成片状结构，而带电侧链则位于纳米纤维外部。因此，肽序列中重复出现的正负电荷氨基酸通过离子互补力形成稳定结构。最终，它们能够自组装成典型的β-折叠结构，进而形成由纳米纤维组成的水凝胶结构。由于氢键和离子力的作用，这些水凝胶在各种条件范围内（如 pH 值、温度和有机溶剂）都非常稳定。

两亲性肽与生理液一接触就能在几秒钟内形成透明水凝胶。这种离子互补自组装肽水凝胶由超过 99% 的水组成。因此，水凝胶内部的纳米纤维之间存在大量空间。这类肽自组装纳米结构已被用于促进骨、软骨、心脏和神经系统的细胞生长和分化。

4. α-螺旋肽

数十年来，人们已知生物和物理特性能够促进肽自组装成螺旋结构。实际上，只有少数几种主要分子被发现能够将这些螺旋结构自组装成纳米结构生物材料。α-螺旋肽引起了研究人员的关注，因为它们能够形成在生物系统中的细胞骨架和细胞外基质中非常常见的纳米结构。例如，这些丝状纳米结构可以由含 25 至 50 个氨基酸的α-螺旋肽形成。含 2 至 5 个螺旋的α-螺旋肽能够相互聚集形成纳米纤维。这些α-螺旋肽还可以通过约 30 个氨基酸长的肽通过螺旋卷曲结构自组装成纳米纤维。疏水残基可以通过疏水塌陷促进螺旋寡聚化。另一种纳米纤维结构也可以通过肽形成，这些肽在序列中间含有谷氨酸（Glu）氨基酸，在序列末端含有赖氨酸（Lys）氨基酸，通过离子相互作用形成。

螺旋肽具有三嵌段结构，其中包含卷曲螺旋嵌段，也可自组装成水凝胶。通过肽序列中重复的疏水和带电氨基酸，卷曲螺旋结构可由α-螺旋自组装而成。此外，通过调整基本卷曲螺旋单元的长度和结构，水凝胶的性能也可得到调控。因此，这些材料可被提议用于药物输送应用的刺激响应型水凝胶。

5. β-折叠肽

β-折叠是可用于肽自组装的最实用的天然存在的结构基序之一。大量肽已被研究用于自组装形成β-折叠二级结构。β-折叠由肽序列中交替排列的亲水性和疏水性氨基酸组成，这可赋予肽两亲性，从而驱动β-折叠的自组装。β-折叠肽还可用于形成多种不同的纳米结构，包括纳米管、纳米级单分子层和纳米带。例如，β-折叠肽 QQRFEWEFEQQ 可利用谷氨酸和精氨酸氨基酸的可电离侧链在 pH 值响应性水凝胶中自组装。这些肽在中性 pH 条件下可溶，在低 pH 条件下则转变为水凝胶结构。原因是较低 pH 值时形成了反平行β-折叠带，然后堆叠在一起形成水凝胶中的纳米纤维。β-发夹肽也在水和空气界面处被发现可自组装成各种纳米结构。蛋白质中β-发夹的自组装基于两片β-折叠片以反平行形式排列。采用序列是 VKVKVKVKVDPPTKVKVKV 的β-发夹肽来形成响应性水凝胶。这种材料可通过提高 pH 值来形成。其潜在机制在于，随着 pH 值的升高，β-折叠片自组装形成发夹结构，从而形成水凝胶。

参考文献：doi.org/10.1155/2017/4562474